CN111673312A - 一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子封装用Sn‑Ag‑Cu系无铅焊料及其制备方法，用Sn‑Ag‑Cu系无铅焊料合金各组元按质量百分比由以下组分组成：Sn 90‑96％，Ag 0.1‑0.2％，Cu 0.1‑1％，Bi 2‑4％，Ni 0.01‑0.5％，Zn 0.1‑3％，Ti 0.01‑0.5％，Pr 0.01‑0.5％，In 1‑4％，Zr 0.01‑0.5％，Y 0.01‑0.5％，以上组分质量百分比之和为100％。本发明光制备的伏焊带用Sn‑Ag‑Cu系钎料合金润湿角小，导电率较好，焊点抗拉强度优良，因此在铜基板上的润湿性能和铺展性能优良，有利于电子封装焊料的制备，本发明中的制备方法简单，操作方便，可用于批量化生产。

Description

一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料及其制备方法
技术领域
本发明属于有色合金以及电子封装领域，具体涉及一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，还涉及该电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法。
背景技术
近年来由于全球电子行业的发展迅速迅猛，各国电子工业技术获得空前的发展，电子元器件作为电子产业的基础发展速度也风场迅速。在电子产品的生产过程中，实现电子元器件与基板之间的连接是一个必不可少的环节，钎焊则是实现这一连接的主要手段。Sn-Pb焊料由于其低熔点，价格低廉，润湿性能优异等优点以往得到广泛应用，但同时由于Pb以及含Pb化合物具有毒性，因此在2006年，Pb被全面禁止在电子产品中使用。因此开发研究新型无铅焊料迫在眉睫。Sn-Ag-Cu钎料合金共晶温度为217℃左右，且具有较好的润湿性以及焊点可靠性，但由于Ag含量过高导致钎料成本过高，且较高的Ag含量会造成钎料焊点性能的下降，因此本发明采用低Ag钎料作为研究对象。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，具有低熔点，高电导率以及润湿性优异的特点。
本文的另一个目的是提供一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，具有成本可控低廉的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，合金各组元按质量百分比由以下组分组成Sn 90-96％，Ag 0.1-0.2％，Cu0.1-1％，Bi 2-4％，Ni 0.01-0.5％，Zn 0.1-3％，Ti 0.01-0.5％，Pr 0.01-0.5％，In 1-4％，Zr 0.01-0.5％，Y 0.01-0.5％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一个技术方案是一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，具体按照一下步骤实施：
步骤1：将纯度为99.99％的锡、银、铜放入刚玉坩埚中，在真空环境中进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金A；
步骤2：将合金A等量分为两份，取合金A的一份与铋、锌、镨、铟在真空环境下进行熔炼，待全部熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3：取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入镍、钛、锆、钇，在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金C；
步骤4：将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出倒入模具后冷却即得一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料。
本发明的特点还在于：
步骤1的熔炼温度为900℃～1100℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
步骤2的熔炼温度为800～1000℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
步骤3的熔炼温度为1000～1500℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
步骤4的熔炼温度为500～600℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
步骤1至4的真空环境真空度为－0.1MPa-0.1MPa。
本发明的有益效果是：
(1)本发明光伏焊带用Sn-Ag-Cu系钎料合金润湿角小，导电率较好，焊点抗拉强度优良；
(2)本发明Sn-Ag-Cu系钎料合金在铜基板上的润湿性能和铺展性能优良，有利于电子封装焊料的制备；
(3)本发明Sn-Ag-Cu系钎料合金的制备方法简单，操作方便，可用于批量化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1：
本实施案例提供的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的原料组分为：Sn94wt％，Ag0.2 wt％，Cu 0.3wt％，Bi 4wt％，Ni 0.01wt％，Zn 0.4wt％，Ti 0.02wt％，Pr0.05wt％，In 1.0wt％，Zr 0.01wt％，Y 0.01wt％，以上组分质量百分比之和为100％；
按照上述所述各原料组分及重量百分比配制光伏焊带用锡银基钎料合金，在真空环境下进行熔炼，真空度为－0.1MPa。
一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1：称取锡940g、银2g、铜3g放入刚玉坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1000℃，待原材料完全熔化后保温30～60min，并且每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2：将合金A等量分为两份，取其中一份与铋40g、锌4g、镨0.5g、铟10g在真空环境下进行熔炼，熔炼温度为800℃，待全部熔化后保温30min，每10min搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B。
步骤3：取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入镍0.1g、钛0.2g、锆0.1g、钇0.1g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1000℃，待其全部熔化后保温30min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金C。
步骤4：将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为500℃，保温30min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可。
实施例1制得的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊，熔点为216.5℃，导电率为9.03Ms/m，润湿角为45°，焊点抗拉强度44MPa。
实施例2：
本实施案例提供的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的原料组分为：Sn95.81wt％，银0.2wt％，Cu 0.3wt％，Bi 2wt％，Ni 0.2wt％，Zn 0.4wt％，Ti 0.02wt％，Pr0.05wt％，In 1.0wt％，Zr 0.01wt％，Y 0.01wt％，以上组分质量百分比之和为100％；
按照上述所述各原料组分及重量百分比配制光伏焊带用锡银基钎料合金，在真空环境下进行熔炼，真空度为0.1MPa。
一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1：称取锡958.1g、银2g、铜3g放入刚玉坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1200℃，待原材料完全熔化后保温60min，并且每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2：将合金A等量分为两份，取其中一份与铋20g、锌4g、镨0.5g、铟10g在真空环境下进行熔炼，熔炼温度为1000℃，待全部熔化后保温60min，每10min搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B。
步骤3：取另一部分合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入镍2g、钛0.2g、锆0.1g、钇0.1g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1500℃，待其全部熔化后保温60min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金C。
步骤4：将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为600℃，保温60min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可。
实施例2制得的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，熔点为217℃，导电率为8.62Ms/m，润湿角为48°，焊点抗拉强度57MPa。
实施例3：
本实施案例提供的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的原料组分为：Sn90wt％，Ag1 wt％，Cu 0.7wt％，Bi 3wt％，Ni 0.3wt％，Zn 0.1wt％，Ti 0.5wt％，Pr0.15wt％，In4 wt％，Zr 0.15wt％，Y 0.1wt％，以上组分质量百分比之和为100％；
按照上述所述各原料组分及重量百分比配制光伏焊带用锡银基钎料合金，在真空环境下进行熔炼，真空度为－0.05MPa。
一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1：称取锡900g、银10g、铜7g放入刚玉坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1100℃，待原材料完全熔化后保温40min，并且每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2：将合金A等量分为两份，取其中一份与铋30g、锌1g、镨1.5g、铟40g在真空环境下进行熔炼，熔炼温度为900℃，待全部熔化后保温30～60min，每10min搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B。
步骤3：取另一部分合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入镍3g、钛5g、锆1.5g、钇1g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1200℃，待其全部熔化后保温50min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金C。
步骤4：将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为550℃，保温560min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可。
实施例3制得的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，熔点为215.5℃，导电率为8.35Ms/m，润湿角为41°，焊点抗拉强度47MPa。
实施例4：
本实施案例提供的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的原料组分为：Sn90.39wt％，Ag 0.5wt％，Cu 0.8wt％，Bi 2wt％，Ni 0.5wt％，Zn 3wt％，Ti 0.25wt％，Pr0.3wt％，In 2wt％，Zr 0.25wt％，Y 0.01wt％，以上组分质量百分比之和为100％；
按照上述所述各原料组分及重量百分比配制光伏焊带用锡银基钎料合金，在真空环境下进行熔炼，真空度为0.05MPa。
一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1：称取锡903.9g、银5g、铜8g放入刚玉坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1050℃，待原材料完全熔化后保温45min，并且每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2：将合金A等量分为两份，取其中一份与铋20g、锌30g、镨3g、铟20g在真空环境下进行熔炼，熔炼温度为950℃，待全部熔化后保温35min，每10min搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B。
步骤3：取另一部分合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入镍5g、钛2.5g、锆2.5g、钇1g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1400℃，待其全部熔化后保温55min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金C。
步骤4：将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为590℃，保温55min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可。
实施例4制得的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，熔点为217.6℃，导电率为8.16Ms/m，润湿角为60°，焊点抗拉强度51MPa。
实施例5：
本实施案例提供的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的原料组分为：Sn92.52wt％，银0.7wt％，Cu 1wt％，Bi 3wt％，Ni 0.08wt％，Zn 1wt％，Ti 0.15wt％，Pr0.3wt％，In 1wt％，Zr 0.1wt％，Y 0.15wt％，以上组分质量百分比之和为100％；
按照上述所述各原料组分及重量百分比配制光伏焊带用锡银基钎料合金，在真空环境下进行熔炼，真空度为0.07MPa。
一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法具体按以下步骤进行：
步骤1：称取锡925.2g、银7g、铜10g放入刚玉坩埚中，在真空环境中进行熔炼，熔炼温度为在1190℃，待原材料完全熔化后保温33min，并且每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金A；
步骤2：将合金A等量分为两份，取其中一份与铋30g、锌10g、镨3g、铟10g在真空环境下进行熔炼，熔炼温度为930℃，待全部熔化后保温54min，每10min搅拌一次，倒入模具冷却，得到合金B。
步骤3：取另一部分合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入镍0.8g、钛1.5g、锆1g、钇1.5g，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为1300℃，待其全部熔化后保温50min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后得到合金C。
步骤4：将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，其熔炼温度为580℃，保温40min，每10min搅拌一次，取出倒入模具后冷却即可。
实施例5制得的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，熔点为216.1℃，导电率为8.87Ms/m，润湿角为52°，焊点抗拉强度39MPa。
表1
Figure BDA0002516159800000081
由表1可以看出，上述钎料合金的熔点均低于传统的SAC105钎料的223℃，其导电率优于锡铅锑基低熔点钎料，焊点抗拉强度相较于SAC305钎料焊点也有所提高，其综合性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
本发明的优点为：
(1)本发明光伏焊带用Sn-Ag-Cu系钎料合金润湿角小，导电率较好，焊点抗拉强度优良；
(2)本发明Sn-Ag-Cu系钎料合金在铜基板上的润湿性能和铺展性能优良，有利于电子封装焊料的制备；
(3)本发明Sn-Ag-Cu系钎料合金的制备方法简单，操作方便，可用于批量化生产。
一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料中各组分的作用和功能如下：
Sn元素作用：①金属锡和铜基板之间有良好的亲和力作用，因此借助于低活性焊剂就可以达到良好的润湿；②金属锡在钎焊过程中与基板铜易生成Cu6Sn5金属间化合物层，有利于提高钎焊接头的强度；
Ag元素作用：减小润湿小，降低金属间化合物层厚度；
Cu元素作用：减小润湿小，降低熔点，抑制Cu板溶蚀；
Bi、In、Zn元素作用：减小润湿小，降低熔点；
Ni、Zr、Ti、Y、Pr元素作用：细化钎料显微组织，增加钎料焊点抗拉强度，减小钎焊润湿角。

Claims (7)

1.一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料，其特征在于，合金各组元按质量百分比由以下组分组成：Sn90-96％，Ag0.1-0.2％，Cu0.1-1％，Bi2-4％，Ni0.01-0.5％，Zn0.1-3％，Ti0.01-0.5％，Pr0.01-0.5％，In1-4％，Zr0.01-0.5％，Y0.01-0.5％，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将纯度为99.99％的锡、银、铜放入刚玉坩埚中，在真空环境中进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金A；
步骤2：将合金A等量分为两份，取所述合金A的一份与铋、锌、镨、铟在真空环境下进行熔炼，待全部熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具冷却，得到合金B；
步骤3：取剩余一份合金A加入刚玉坩埚中，向其中加入镍、钛、锆、钇，在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出融化后的合金倒入模具后得到合金C；
步骤4：将合金B和合金C放入刚玉坩埚中，在真空环境下进行熔炼，在真空环境下进行熔炼，待原材料完全熔化后保温并搅拌，取出倒入模具后冷却即得一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料。
3.根据权利要求2所述的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤1熔炼温度在900℃～1100℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
4.根据权利要求2所述的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤2的熔炼温度为800～1000℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
5.根据权利要求2所述的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤3的熔炼温度为1000～1500℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
6.根据权利要求2所述的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤4的熔炼温度为500～600℃，保温时间30～60min，搅拌频率10min/次。
7.根据权利要求2至6所述的一种电子封装用Sn-Ag-Cu系无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述步骤1至4的真空环境真空度为－0.1MPa-0.1MPa。
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